Energía

Es todo aquello que puede originar o dar existencia a un trabajo. Es la capacidad que posee la materia para producir calor, trabajo en forma de movimiento, luz, crecimiento biológico, etc. Por materia se entiende cualquier cuerpo sólido, líquido y gaseoso existente.

Transformación de la Energía

Las distintas manifestaciones o formas de energía pueden transformarse unas en otras. Para que estas transformaciones hayan podido realizarse, ha sido fundamental la creación por parte del hombre de maquinarias, que por sí solas no producirían energía.

Una transformación posible de energía seria el caso de la energía potencial o de posición que posee una masa de agua estancada que se transforma en energía cinética cuando cae desde una altura cualquiera (energía hidráulica) por una tubería e incide sobre el rodete de una turbina hidráulica, haciéndola girar (energía mecánica)

Rendimiento
El rendimiento puede ser expresado en función de la energía, el trabajo y la potencia.
Rendimiento en función de la Energía

Cuando se produce un proceso de transformación de energía, la cantidad lograda de la misma (energía útil) es menor a la cantidad inicial, absorbida por la maquinaria (energía total). Esto se debe a la pérdida de energía que tiene lugar durante la transformación (energía perdida).

Energía total = energía útil + energía perdida

Rendimiento = Energía útil / Energía total

Energía útil = energía total – energía perdida

Rendimiento = (energía total – energía perdida) / Energía Total

por lo tanto:

Rendimiento = (1 – energía perdida) / Energía Total

Como consecuencia de la ecuación anterior, se deduce que el rendimiento será siempre un valor inferior a uno y que solo podrá obtenerse el valor 1 en la situación improbable de que no existiese perdida de energía alguna.

El rendimiento más bajo ocurre cuando la energía térmica sufre una transformación en otra forma de energía. En cambio, los rendimientos mas elevados se logran al transformarse la energía eléctrica.

Manifestaciones de la energía

La energía se manifiesta de diferentes maneras:

Las fuentes más naturales e independientes, en las que no existe la intervención directa del hombre son las siguientes:

· Energía solar: casi la totalidad de la energía proviene del sol y se manifiesta a través de radiaciones luminosas, caloríficas y electromagnéticas.

· Energía química: se encuentra contenida en cuerpos combustibles

· Energía bioquímica: está presente en el desarrollo de los seres vivos.

En las siguientes fuentes de energía, el hombre debe participar necesariamente en el control de las mismas:

· Energía hidráulica: esta energía se origina con el movimiento del agua. Este movimiento puede ser consecuencia de la caída de corrientes de agua o de las crecientes y bajadas de las mareas.

· Energía térmica o calorífica: se origina a partir de la combustión de un cuerpo combustible. Es empleada en un radiador eléctrico.

· Energía eólica: es aquella que tiene origen en los vientos.

Principios de la energía
Principio de Conservación de la Energía

Este principio establece que la energía ni se crea ni se destruye, solamente se transforma.

Cualesquiera que sean las modificaciones de energía en el interior de un sistema, la cantidad total de energía en el mismo es constante.

Principio de Degradación de la Energía

Cuando se efectúa una transformación de energía de una forma u otra siempre surge energía térmica, aún cuando el objetivo sea otro. Se trata de una energía térmica no utilizable, pero igualmente cumple con el principio de conservación, debido a que no se produce destrucción de energía.

La cantidad de energía que se obtiene en el modo deseado, es siempre menor al valor de la energía empleada en un principio.

Ejemplos:

Al transformarse la energía química potencial del carbón en energía calorífica, y posteriormente en energía mecánica en la turbina de vapor, está última energía constituye una porción débil de la primitiva. El remanente no ha desaparecido ni se ha destruido, sino que se ha transformado en energía térmica no útil. Esta se ha disipado en los diferentes elementos que componen la instalación.

Un motor eléctrico que se encuentra conectado a la red, sufre un calentamiento. Esto se debe a que una parte de la energía eléctrica se transforma en calor, por lo que, el valor de la energía mecánica obtenida, no es igual al de la energía empleada en un principio.

Si se trata de una transformación directa de energía eléctrica en calorífica, puede deducirse que existe una mínima degradación o pérdida.

Escalas de temperatura

La medida de la temperatura ambiental se ha venido realizando, de forma más o menos sistemática, desde los tiempos del Renacimiento. En los siglos sucesivos, se han propuesto varias escalas de medida de temperaturas, basadas principalmente en los puntos de fusión y ebullición del agua como valores de referencia. Entre ellas, la más utilizada en la vida cotidiana es la escala centígrada o Celsius. En cambio, en el ámbito científico se utiliza predominantemente la escala absoluta o Kelvin.
Medida de la temperatura
La temperatura se mide por medio de diversos instrumentos y dispositivos, de los que el más conocido es el termómetro de mercurio. En esencia, todos estos instrumentos se basan en la observación de las llamadas magnitudes termométricas, que son cualidades de los cuerpos susceptibles de modificación por efecto de los incrementos o los descensos de temperatura (por ejemplo, el hierro se enrojece al calentarse).
En los procedimientos de medida aplicados se sustentan las principales escalas termométricas hoy día utilizadas, y que se basan en los puntos de fusión y ebullición del agua para determinar las escalas de graduación de sus valores.

Escala Celsius
El termómetro de mercurio, corrientemente utilizado para medir temperaturas, consiste en una columna de mercurio encerrada en un tubo capilar, de manera que al variar la temperatura se modifica la altura del líquido dentro de la columna. La relación entre la temperatura T y la diferencia de altura de mercurio en el tubo responde a una función lineal de la forma:   

T = mx + b

siendo m la pendiente de la función y b el valor inicial sobre el origen.
Los valores de m y b dependen de la escala termométrica elegida, y suelen fijarse asignando a los puntos de fusión y ebullición del agua valores convencionales concretos.
La escala Celsius, también llamada centígrada, asigna el valor 0 a la temperatura de fusión del agua y el valor 100 al punto de ebullición del agua, en condiciones de presión normal (igual a 1 atmósfera).Entre estos dos valores se define una escala dividida en cien tramos, cada uno de los cuales corresponde a un grado centígrado o Celsius.
Esta escala, muy utilizada en la vida cotidiana en numerosos países del mundo, admite valores negativos (también referidos como temperaturas «bajo cero»).

Representación gráfica de la temperatura, a modo de una función lineal

Escala Fahrenheit
En la función lineal de la temperatura con respecto a la longitud, es posible elegir los valores de referencia para m y b de otras muchas maneras. En la actualidad, en los países anglosajones aún sigue usándose la escala Fahrenheit, establecida de manera que:
• Al punto de congelación del agua en condiciones de presión normal (1 atmósfera) se le asigna el valor 32.
• Al punto de ebullición normal del agua se le atribuye el valor 212.
Las relaciones que permiten pasar de un valor en escala Celsius (TC) y a la inversa a Fahrenheit (TF) son las siguientes:  

Escala absoluta

El descubrimiento de que la temperatura posee un valor mínimo insuperable, estimado en ¿273,15 ºC, propició que, en el ámbito científico, se adoptara como base de referencia de la medida de temperaturas la escala absoluta o Kelvin.

Esta escala elige como valor origen el ¿273,15, también llamado cero absoluto, de manera que la equivalencia entre la escala absoluta y la Celsius viene dada por la expresión siguiente:                                  

T = Tc + 273,15 

La unidad de temperatura en el Sistema Internacional es el kelvin.

Gráfica de representación de la escala absoluta o Kelvin. La recta que refleja la función lineal corta al eje de abscisas en el punto de valor - 273,15.

El termómetro de gas diluido

En la medida de temperaturas mediante termómetros se encuentra una dificultad añadida por el hecho de que las magnitudes termométricas utilizadas (por ejemplo, la longitud de una columna de líquido) no son exactamente lineales. Ello introduce un error de medida que puede llegar a ser considerable.

Para evitar este problema se usan termómetros de gas diluido, de mayor precisión, y que se basan en el uso de un gas encerrado en un recipiente con un émbolo (para mantener constante la presión y medir variaciones de volumen como magnitud termométrica) o en un dispositivo que permita mantener constante el volumen del gas para determinar las variaciones de su presión (que se usaría como magnitud termométrica para medir temperaturas).

Problemas:

1) ¿A qué temperatura centígrada corresponde el 0 °F?

2) ¿Qué diferencia existe entre -6 °C y 15 °F?

3) Transformar 30 °C a grados Fahrenheit.

4) Convertir 70 °F a centígrados.

5) ¿A cuantos grados centígrados corresponden 400 °K?

6) Convertir 55 °F a grados Kelvin.

7) Pasar 299 °K a centígrados

8) Convertir -40 °C a Fahrenheit.

9) ¿A qué temperatura Celsius equivalen 33,8 °F?

10) En un termómetro Fahrenheit se observa una marca de 125 °F y en un Celsius se leen 45 °C, ¿cuál de los dos indica mayor estado térmico?

Cantidad de calor

Cuando una sustancia se está fundiendo o evaporándose está absorbiendo cierta cantidad de calor llamada calor latente de fusión o calor latente de evaporación, según el caso. El calor latente, cualquiera que sea, se mantiene oculto, pero existe aunque no se manifieste un incremento en la temperatura, ya que mientras dure la fundición o la evaporación de la sustancia no se registrará variación de la misma.

Para entender estos conceptos se debe conocer muy bien la diferencia entre calor y temperatura.

En tanto el calor sensible es aquel que suministrado a una sustancia eleva su temperatura.

La experiencia ha demostrado que la cantidad de calor tomada (o cedida) por un cuerpo es directamente proporcional a su masa y al aumento (o disminución) de temperatura que experimenta.

La expresión matemática de esta relación es la ecuación calorimétrica:

Q = m·Ce·(Tf-Ti)

En palabras más simples, la cantidad de calor recibida o cedida por un cuerpo se calcula mediante esta fórmula, en la cual m es la masa, Ce es el calor específico, Ti es la temperatura inicial y Tf la temperatura final.  Por lo tanto  Tf – Ti = ΔT (variación de temperatura).

Nota: La temperatura inicial (Ti) se anota también como T0 o como t0.

Si Ti > Tf el cuerpo cede calor Q < 0

Si Ti < Tf el cuerpo recibe calor Q > 0

Se define calor específico (Ce) como la cantidad de calor que hay que proporcionar a un gramo de sustancia para que eleve su temperatura en un grado centígrado. En el caso particular del agua Ce vale 1 cal/gº C ó 4,186 J.